Геомеханическое обоснование параметров вскрышных уступов при разработке мульдообразных залежей

Для оп­ре­де­ле­ния па­ра­ме­т­ров и тем­пов гор­ных ра­бот не­об­хо­ди­мо об­ла­дать ин­фор­ма­ци­ей об ус­той­чи­во­с­ти бор­тов ка­рь­е­ра на за­дан­ный мо­мент вре­ме­ни. При раз­ра­бот­ке муль­до­об­раз­ных за­ле­жей во­про­сы ус­той­чи­во­с­ти при­об­ре­та­ют осо­бый ха­рак­тер вслед­ст­вие спе­ци­фич­но­с­ти за­ле­га­ния по­лез­но­го ис­ко­па­е­мо­го, име­ю­ще­го кра­е­вые вы­хо­ды на по­верх­ность.

За­да­ча ус­той­чи­во­с­ти мас­си­вов по­род яв­ля­ет­ся ча­ст­ной за­да­чей об­щей те­о­рии пре­дель­но­го на­пря­жен­но­го со­сто­я­ния грун­тов, но име­ет весь­ма су­ще­ст­вен­ные осо­бен­но­с­ти, обус­лов­лен­ные спе­ци­фи­кой дви­же­ния масс при на­ру­ше­нии их ус­той­чи­во­с­ти [1]. При­чи­ной на­ру­ше­ния ус­той­чи­во­с­ти в дан­ном слу­чае яв­ля­ет­ся умень­ше­ние вну­т­рен­них со­про­тив­ле­ний в мас­си­ве (раз­ру­ше­ние ес­те­ст­вен­ных упо­ров) вслед­ст­вие об­на­же­ния бор­та при от­ра­бот­ке ме­с­то­рож­де­ния. Рас­смо­т­рим эти во­про­сы при­ме­ни­тель­но к ус­ло­ви­ям Не­рюн­г­рин­ско­го уголь­но­го раз­ре­за. Учи­ты­вая ге­о­ло­ги­че­с­кие ус­ло­вия Не­рюн­г­рин­ско­го ме­с­то­рож­де­ния, приз­ма ве­ро­ят­но­го об­ру­ше­ния бор­та раз­ре­за бу­дет яв­лять­ся ополз­нем сколь­же­ния, то есть ополз­нем по за­фик­си­ро­ван­ной по­верх­но­с­ти, ко­то­рой яв­ля­ет­ся кров­ля уголь­но­го пла­с­та, име­ю­щая бо­лее низ­кие проч­но­ст­ные свой­ст­ва, чем мас­сив вскрыш­ных по­род в це­лом.

Рас­че­ты ус­той­чи­во­с­ти пре­иму­ще­ст­вен­но вклю­ча­ют в се­бя оп­ре­де­ле­ние сдви­га­ю­щих и удер­жи­ва­ю­щих сил (на­пря­же­ний) и ус­та­нов­ле­ние на ос­но­ве срав­не­ния этих сил ко­эф­фи­ци­ен­тов за­па­са ус­той­чи­во­с­ти за­дан­но­го про­фи­ля. Для рас­че­та ус­той­чи­во­с­ти бор­тов ка­рь­е­ров и от­ко­сов от­ва­лов при­ме­ня­ют ме­то­ды ал­ге­б­ра­и­че­с­ко­го сум­ми­ро­ва­ния сил по круг­ло­ци­лин­д­ри­че­с­ким и мо­но­тон­ным кри­во­ли­ней­ным по­верх­но­с­тям и ме­тод мно­го­уголь­ни­ка сил при лю­бой фор­ме по­верх­но­с­ти сколь­же­ния [2, 3]. Урав­не­ние рав­но­ве­сия име­ет вид:

h=StgjiNi+Scili    (1)

STi

где: ji,ci — со­от­вет­ст­вен­но, угол вну­т­рен­не­го тре­ния и сцеп­ле­ние по ос­но­ва­нию бло­ков, сла­га­ю­щих об­ру­ша­ю­щий­ся борт;

Ni,Ti — со­от­вет­ст­вен­но, нор­маль­ные и ка­са­тель­ные со­став­ля­ю­щие мас­сы эле­мен­тар­ных бло­ков по­ро­ды;

Ii — дли­на на­клон­но­го ос­но­ва­ния бло­ков.

Кри­вая сколь­же­ния для гор­ных по­род ес­те­ст­вен­но­го за­ле­га­ния ха­рак­те­ри­зу­ет­ся в верх­ней сво­ей ча­с­ти тре­щи­ной от­ры­ва, ве­ли­чи­на ко­то­рой за­ви­сит от проч­но­ст­ных свойств по­род и рав­на [3]:

H90=2c/g ctg (45°+j/2)    (2)

При раз­ви­тии в мас­си­ве гор­ных по­род си­с­те­мы тре­щин (осо­бен­но тре­щин па­де­ния) вы­со­та вер­ти­каль­но­го от­ко­са приз­мы опол­за­ния мо­жет уве­ли­чи­вать­ся. При про­гноз­ных рас­че­тах ус­той­чи­во­с­ти бор­тов раз­ре­за  «Не­рюн­г­рин­ский» тре­щи­но­ва­тость мас­си­ва в яв­ном ви­де не учи­ты­ва­ет­ся, а рас­чет ве­дет­ся по сла­бей­шим проч­но­ст­ным ха­рак­те­ри­с­ти­кам вме­ща­ю­щих по­род. Ус­ред­нен­ные фи­зи­ко-ме­ха­ни­че­с­кие свой­ст­ва вскрыш­ных по­род и по­лез­но­го ис­ко­па­е­мо­го раз­ре­за «Не­рюн­г­рин­ский» пред­став­ле­ны в таб­ли­це 1.

Из таб­ли­цы 1 вид­но, что вскрыш­ные по­ро­ды об­ла­да­ют близ­ки­ми проч­но­ст­ны­ми свой­ст­ва­ми, что поз­во­ля­ет при оцен­ке ус­той­чи­во­с­ти при­ни­мать ус­ред­нен­ные ха­рак­те­ри­с­ти­ки по все­му ком­плек­су вме­ща­ю­щих по­род, то есть: g=2,5 т/м3; j=30°, С=62 т/м2. Рез­кое сни­же­ние проч­но­ст­ных свойств по кон­так­ту поч­вы пла­с­та с ни­же­ле­жа­щи­ми вме­ща­ю­щи­ми по­ро­да­ми поз­во­ля­ет с вы­со­кой сте­пе­нью ве­ро­ят­но­с­ти счи­тать кров­лю ниж­ней пач­ки вме­ща­ю­щих по­род ли­ни­ей ог­ра­ни­че­ния ополз­не­вой приз­мы [2, 3, 4].

Рас­чет ус­той­чи­во­с­ти про­из­во­дил­ся по про­грам­ме, раз­ра­бо­тан­ной на ка­фе­д­ре ге­о­ло­гии МГГУ, дву­мя ме­то­да­ми: ал­ге­б­ра­и­че­с­ко­го сум­ми­ро­ва­ния сил и мно­го­уголь­ни­ка сил. Шаг пе­ре­бо­ра ве­ро­ят­ных кри­вых сколь­же­ния при оп­ре­де­ле­нии раз­лич­ных по­ло­же­ний фрон­та гор­ных ра­бот со­став­лял 1.0 м. Оп­ре­де­ле­ние гра­нич­но­го по­ло­же­ния бор­та, при ко­то­ром от­кос ста­но­вит­ся не­ус­той­чи­вым (h@1,0), про­из­во­ди­лось спо­со­бом по­сле­до­ва­тель­но­го из­ме­не­ния ге­не­раль­но­го уг­ла на­кло­на (b) ра­бо­че­го бор­та раз­ре­за.

Вскрыш­ные по­ро­ды в пре­де­лах за­ле­жи на­хо­дят­ся в на­пря­жен­но-де­фор­ми­ро­ван­ном со­сто­я­нии, и при раз­ви­тии фрон­та гор­ных ра­бот в на­прав­ле­нии па­де­ния уголь­но­го пла­с­та ус­той­чи­вость бор­та раз­ре­за оп­ре­де­ля­ет­ся толь­ко проч­но­ст­ны­ми свой­ст­ва­ми вскрыш­ных по­род без уче­та сла­бо­го кон­так­та. Ли­ния сколь­же­ния про­хо­дит по мас­си­ву, то есть при на­ру­ше­нии ус­той­чи­во­с­ти про­ис­хо­дит скол по­лу­скаль­но­го мас­си­ва и его об­ру­ше­ние с оп­ро­ки­ды­ва­ни­ем. По­это­му угол на­кло­на бор­та раз­ре­за при пе­ре­ме­ще­нии фрон­та гор­ных ра­бот от про­фи­ля I к про­фи­лю VI или от про­фи­ля XIV к про­фи­лю VIII бли­зок к ус­той­чи­во­му уг­лу от­ко­са ус­ту­па и со­став­ля­ет по­ряд­ка 55-65° (рис. 1).

На­и­боль­ший ин­те­рес с точ­ки зре­ния ус­той­чи­во­с­ти бор­та раз­ре­за пред­став­ля­ет раз­ви­тие фрон­та гор­ных ра­бот по вос­ста­нию, то есть от цен­т­ра за­ле­жи к ее кры­ль­ям.  В этом слу­чае кри­вая сколь­же­ния про­хо­дит по поч­ве пла­с­та по кон­так­ту, име­ю­ще­му низ­кие проч­но­ст­ные свой­ст­ва, с опол­за­ни­ем мас­си­ва в центр за­ле­жи.

При рас­че­тах ус­той­чи­во­с­ти ре­ша­лись сле­ду­ю­щие за­да­чи:

•  ус­та­нов­ле­ние мак­си­маль­но воз­мож­но­го ге­не­раль­но­го уг­ла на­кло­на бор­та раз­ре­за при раз­лич­ных по­ло­же­ни­ях фрон­та гор­ных ра­бот;
•  ус­та­нов­ле­ние ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти при за­дан­ных па­ра­ме­т­рах бор­та ка­рь­е­ра при на­хож­де­нии фрон­та ра­бот в на­и­бо­лее опас­ной, с точ­ки зре­ния ус­той­чи­во­с­ти, зо­не;
•  ус­та­нов­ле­ние за­ви­си­мо­с­ти ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти от по­ло­же­ния фрон­та гор­ных ра­бот при за­дан­ных па­ра­ме­т­рах бор­та раз­ре­за;
•  ус­та­нов­ле­ние па­ра­ме­т­ров бор­та раз­ре­за при ус­ло­вии обес­пе­че­ния нор­ма­тив­но­го ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти (h=1,1) [4].

Рас­сма­т­ри­ва­лось не­сколь­ко ва­ри­ан­тов раз­ви­тия фрон­та гор­ных ра­бот при ус­ло­вии со­блю­де­ния по­сто­ян­ной вы­со­ты ус­ту­па hy=15 м и  ра­бо­чем уг­ле его от­ко­са a=75°. На рис. 2 пред­став­лен ре­зуль­тат рас­че­та ус­той­чи­во­с­ти на­и­бо­лее сла­бо­го в ге­о­ме­ха­ни­че­с­ком от­но­ше­нии бор­та. Из рас­че­тов вид­но, что при b@20° ко­эф­фи­ци­ент за­па­са ус­той­чи­во­с­ти ста­но­вит­ся рав­ным нор­ма­тив­но­му, и даль­ней­шее уве­ли­че­ние уг­ла при­ве­дет к опол­за­нию бор­та раз­ре­за. Ши­ри­на ра­бо­чих пло­ща­док при этом со­ста­вит 38 м.

С уче­том не­по­движ­но­с­ти ниж­ней бров­ки бор­та бы­ли про­из­ве­де­ны рас­че­ты ус­той­чи­во­с­ти при раз­лич­ных ге­не­раль­ных уг­лах на­кло­на, по ре­зуль­та­там ко­то­рых был по­ст­ро­ен гра­фик (рис. 3, про­филь V). Гра­фик h=f(b) ото­б­ра­жа­ет за­ви­си­мость ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти от ге­не­раль­но­го уг­ла на­кло­на бор­та по­сред­ст­вом из­ме­не­ния ши­ри­ны ра­бо­чих пло­ща­док при по­сто­ян­ной вы­со­те ус­ту­па hy=15 м.

Из гра­фи­ка вид­но, что ко­эф­фи­ци­ент за­па­са ус­той­чи­во­с­ти h=1.24 обес­пе­чи­ва­ет ус­той­чи­вость ра­бо­че­го бор­та при за­дан­ных ши­ри­не пло­щад­ки ус­ту­пов 62 м, вы­со­те 15 м и уг­ле их от­ко­са 75°. Ге­не­раль­ный угол от­ко­са при этом со­став­ля­ет по­ряд­ка 13.5°.

На рис. 3 (про­филь VI) изо­б­ра­жен гра­фик за­ви­си­мо­с­ти h=f(b) при та­ком по­ло­же­нии фрон­та гор­ных ра­бот, ког­да око­ло 70% бор­та на­хо­дит­ся прак­ти­че­с­ки на го­ри­зон­таль­ном ос­но­ва­нии, а лишь его верх­няя часть — на кры­ле за­ле­жи. Ми­ни­маль­ный ко­эф­фи­ци­ент за­па­са ус­той­чи­во­с­ти h@1,12 со­от­вет­ст­ву­ет кон­фи­гу­ра­ции бор­та с ге­не­раль­ным уг­лом от­ко­са 27,68°. Рост ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти с уве­ли­че­ни­ем уг­ла от­ко­са с 27° до кри­ти­че­с­ко­го (bкр»55°–60°) вы­зван уве­ли­че­ни­ем объ­е­ма приз­мы об­ру­ше­ния, на­хо­дя­щей­ся на го­ри­зон­таль­ном ос­но­ва­нии.

При на­хож­де­нии фрон­та гор­ных ра­бот в цен­т­ре за­ле­жи (при уг­ле на­кло­на бор­та b»13°) ко­эф­фи­ци­ент h со­став­ля­ет по­ряд­ка 1.9–1.95. По ре­зуль­та­там рас­че­тов по­ст­ро­ен гра­фик опе­ра­тив­но­го оп­ре­де­ле­ния ко­эф­фи­ци­ен­та за­па­са ус­той­чи­во­с­ти при уг­ле на­кло­на бор­та b=13° в за­ви­си­мо­с­ти от по­ло­же­ния ниж­ней бров­ки (рис. 4).

Оце­ни­ва­лась так­же ус­той­чи­вость ра­бо­че­го бор­та в слу­чае раз­ви­тия фрон­та гор­ных ра­бот в на­прав­ле­нии от про­фи­ля VII к про­фи­лю XIII. Рас­че­ты по­ка­за­ли, что ко­эф­фи­ци­ент за­па­са ус­той­чи­во­с­ти при та­ком на­прав­ле­нии раз­ви­тия фрон­та гор­ных ра­бот вы­ше на 20–80%, что свя­за­но с бо­лее по­ло­гим за­ле­га­ни­ем пра­во­го кры­ла за­ле­жи.

На ос­но­ва­нии вы­ше­из­ло­жен­но­го мож­но сде­лать вы­вод, что при при­ня­тых па­ра­ме­т­рах си­с­те­мы раз­ра­бот­ки (вы­со­та ус­ту­па 15 м, угол ра­бо­че­го от­ко­са 75°, ши­ри­на пло­щад­ки 62 м при ге­не­раль­ном уг­ле бор­та 13°) ра­бо­чий борт раз­ре­за на всех эта­пах экс­плу­а­та­ции ме­с­то­рож­де­ния до кон­ца его от­ра­бот­ки бу­дет ус­той­чи­вым.

Под­ра­бот­ка бор­та с бо­ко­вых сто­рон до­пу­с­ти­ма на вы­со­ту не бо­лее двух ус­ту­пов и оп­ре­де­ля­ет­ся ве­ли­чи­ной Н90, то есть  глу­би­ной тре­щи­ны от­ры­ва. Бо­лее точ­ные  ре­ко­мен­да­ции по воз­мож­но­с­ти бо­ко­вой под­ра­бот­ки бор­тов мо­гут быть вы­да­ны по­сле по­лу­че­ния ин­фор­ма­ции о ха­рак­те­ре и раз­ви­тии на­пря­же­ний в мас­си­ве по ре­зуль­та­там на­тур­ных ис­сле­до­ва­ний. n

Литература

1. Цы­то­вич Н.А. Ме­ха­ни­ка грун­тов. М.: Выс­шая шко­ла, 1983.

2. Галь­пе­рин А.М., Ша­фа­рен­ко Е.М. Ре­о­ло­ги­че­с­кие рас­че­ты гор­но­тех­ни­че­с­ких со­ору­же­ний. М.: Не­дра, 1977.

3. Фи­сен­ко Г.Л. Ус­той­чи­вость бор­тов ка­рь­е­ров и от­ва­лов. М.: Не­дра, 1965.

4. Ме­то­ди­че­с­кие ука­за­ния по оп­ре­де­ле­нию уг­лов на­кло­на бор­тов, от­ко­сов ус­ту­пов и от­ва­лов стро­я­щих­ся и экс­плу­а­ти­ру­е­мых ка­рь­е­ров. Л.: ВНИ­МИ, 1972.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2000